Лабораторная работа №2
Тема. Измерение напряжения в цепях постоянного тока
Цель. Провести измерение напряжения в цепи постоянного тока прямым методом. Ознакомится со способам расширения верхних пределов измерений вольтметров постоянного тока, с методам расчета добавочных сопротивлений.
Определить внутренне сопротивление вольтметра.
Определить сопротивление добавочного резистора.
Сделать выводы по результатам работы.
Для измерения напряжения U, действующего между какими-либо двумя точками электрической цепи, вольтметр 2 (рис. 1, а) присоединяют к этим точкам, т. е. параллельно источнику 1 электрической энергии или приемнику 3.
Для того чтобы включение вольтметра не оказывало влияния на работу электрических установок и он не создавал больших потерь энергии, вольтметры выполняют с большим сопротивлением. Поэтому практически можно пренебрегать проходящим по вольтметру током.
Для расширения пределов измерения вольтметров последовательно с обмоткой прибора включают добавочный резистор 4 (RД) (рис. 1, б). При этом на прибор приходится лишь часть UV измеряемого напряжения U, пропорциональная сопротивлению прибора RV.
Зная сопротивление добавочного резистора и вольтметра, можно по значению напряжения UV, фиксируемого вольтметром, определить напряжение, действующее в цепи:
(1)
Величина 
показывает, во сколько раз измеряемое напряжение U больше напряжения UV, приходящегося на прибор, т. е. во сколько раз увеличивается предел измерения напряжения вольтметром при применении добавочного резистора.
Сопротивление добавочного резистора, необходимое для измерения напряжения U, в n раз большего напряжения прибора UV, определяется по формуле
(2)
Добавочный резистор может встраиваться в прибор и одновременно использоваться для уменьшения влияния температуры окружающей среды на показания прибора. Для этой цели резистор выполняется из материала, имеющего малый температурный коэффициент, и его сопротивление значительно превышает сопротивление катушки, вследствие чего общее сопротивление прибора становится почти независимым от изменения температуры. По точности добавочные резисторы подразделяются на те же классы точности, что и шунты.
Рис. 1. Схемы для измерения напряжения
Внутреннее сопротивление вольтметра. Для определения внутреннего сопротивления вольтметра его необходимо подключить последовательно с резистором (с 
) к источнику напряжения (рис. 2) . Напряжение источника поделится между резистором и вольтметром пропорционально их сопротивлениям
(3)
(4) 
Рис. 2. Схема для определения внутреннего сопротивления вольтметра
Собрать схему, как на рис. 2.
Сопротивления R выбрать с помощью магазинов сопротивлений так, чтобы напряжения UR и UV были приблизительно равнями (
).
Собрать схему, как на рис. 3 ( 
).
Рассчитать значение добавочного сопротивления RД (2) для каждого из значений UИП и коэффициент n.
Используя показание вольтметра 15 В и значение коэффициента n, определить напряжение UИП (1). Убедиться, что его значение совпадает с действительным.
Заполнить таблицу 1. 
Рис. 3. Использование добавочного сопротивления
Для контроля величины тока применяется прибор называемый амперметром. Из практики могу сказать, что не всегда под рукой оказывается прибор с нужным диапазоном измерения. Как правило, диапазон либо мал, либо велик. Здесь мы разберем, как изменить рабочий диапазон амперметра. Амперметры на большие токи от 20 ампер и выше имеют в своём составе внешний шунтирующий резистор. Он подключается параллельно амперметру. На рисунке 1 приведена схема включения амперметра с шунтирующем резистором.
В качестве примера в экспериментах будет использован амперметр M367 со шкалой до 150 ампер, соответственно при таком токе амперметр используется с внешним шунтирующим сопротивлением.
Если убрать шунтирующий резистор, то амперметр станет миллиамперметром с максимальным током отклонения стрелки 30 мА (далее будет пояснение, откуда это значение взялось). Таким образом, используя разные шунтирующие сопротивления можно сделать амперметр практически с любым диапазоном измерения.
Рассмотрим подробнее имеющийся измерительный прибор. Из его маркировок можно узнать следующее. Маркировка в верхнем правом углу (цифра 1 на изображении). Модель измерительной головки М367. Сделан на краснодарском заводе измерительных приборов (это можно определить по ромбику с буковками ЗИП). Год выпуска 1973. Серийный номер 165266.
Маркировка в нижнем левом углу (цифра 2 на изображении). Слева на право. Прибор предназначен для измерения постоянного тока. Магнитоэлектрический прибор с подвижной рамкой. Напряжение между корпусом и мангнитоэлектрической системой не должно превышать 2 КВ. Рабочее положение шкалы прибора вертикальное. Класс точности прибора в процентах 1,5. ГОСТ8711-60. Измерительная головка рассчитана на измерения силы тока до 150 ампер с использованием внешнего шунтирующего сопротивления рассчитанного на падение на нём напряжения номиналом в 75 милливольт.
Итак, это максимум что удалось узнать из маркировки амперметра. Теперь перейдём к расчетам. Сопротивление шунта определяется по формуле:
где :
Rш — сопротивление шунтирующего резистора;
Rприб — внутреннее сопротивление амперметра;
Iприб — максимально измеримый ток амперметром без шунта;
Iраб — максимально измеримый ток с шунтом (требуемое значение)
Если все данные для расчёта имеются, то можно приступать к самому расчёту. Для упрощения можно воспользоваться онлайн калькулятором ниже:
В нашем случае из формулы видно, что данных не достаточно. Нам известен только максимальный измеряемый ток с шунтом. То есть, то, что мы хотим видеть в случае максимального отклонения стрелки амперметра.
Из маркировки прибора удалось узнать падение напряжения на шунтирующем сопротивлении. И это уже что-то. Из этого параметра ясно, что при подаче на прибор напряжения номиналом 0,075 вольт (75мВ) стрелка отклониться до крайнего значения на шкале 150 ампер. Таким образом, получается, что максимальное отклонение стрелки прибора достигается подачей напряжения 75 мВ. Вроде как данных для расчета по-прежнему не хватает. Необходимо узнать сопротивление прибора и ток, при котором стрелка откланяется до максимального значения без шунтирующего резистора. Далее предлагаю несколько способов для определения нужных параметров и решения задачи.
Способ первый. При помощи блока питания выясняем максимальное отклонение стрелки по току и напряжению без шунта. В нашем случае напряжение уже известно. Его замерять не будем. Измеряем ток и отклонение стрелки. Так как блока питания под рукой не оказалось, то пришлось воспользоваться очень разряженой батарейкой типа АА. Ток, который батарейка могла ещё отдать, составил 12 мА (по показаниям мультиметра). При этом токе стрелка прибора отклонилась до значения на циферблате 60А. Далее определяем цену деления и рассчитываем полное (максимальное) отклонение стрелки. Поскольку шкала циферблата амперметра размечена равномерно, то не составит труда узнать (рассчитать) ток максимального отклонения стрелки.
Цена деления прибора рассчитывается по формуле:
где:
х1 – меньшее значение,
х2 – большее значение,
n – количество промежутков (отрезков) между значениями
Для упрощения можно воспользоваться онлайн калькулятором ниже:
Расчёт показал, что цена деления прибора штатной шкалы составляет 5 ампер. При токе 12 мА стрелка отклонялась до показания 60А. Таким образом, цена одного деления без шунта составляет 1 мА. Всего делений 30, соответственно максимальное отклонение стрелки до значения 150А без шунта составляет 30 мА.
Далее при помощи закона Ома находим сопротивление прибора. 0,075/0,03=2,5 Ом
Расчёт:
Rш=Rприб*Iприб/(Iраб-Iприб)=2,5*0,03/(10-0,03)=0,00752 Ом для шкалы 10А мах
Rш=Rприб*Iприб/(Iраб-Iприб)=2,5*0,03/(5-0,03)=0,01509 Ом для шкалы 5А мах
Rш=Rприб*Iприб/(Iраб-Iприб)=2,5*0,03/(3-0,03)=0,02525 Ом для шкалы 3А мах
Для упрощения можно воспользоваться онлайн калькулятором расчёта сопротивления шунтирующего сопротивления выше.
Второй вариант. При помощи прецизионного мультиметра замеряем сопротивление амперметра и далее при помощи закона Ома (зная напряжение максимального отклонения стрелки) находим ток максимального отклонения стрелки. Измерения выполнялись прецизионными мультиметрами Mastech MS8218 и Uni-t UT71E. При измерении сопротивления амперметра значение составило 2,50-2,52 Ом прибором UT71E и 2,52-2,53 прибором MS8218.
Формула для расчёта тока отклонения стрелки до максимального значения:
Для упрощения вычислений максимального тока отклонения стрелки амперметра можно воспользоваться калькулятором ниже:
Далее, как и в первом варианте выполняем расчёт сопротивления шунтирующего резистора (калькулятор выше). Для расчёта было принято среднее показание измеренного сопротивления амперметра двумя мультиметрами Rприб = 2,52Ом
Расчёт:
Rш=Rприб*Iприб/(Iраб-Iприб)=2,52*0,02976/(10-0,02976)=0,00752 Ом для шкалы 10А мах
Rш=Rприб*Iприб/(Iраб-Iприб)=2,52*0,02976/(5-0,02976)=0,01508 Ом для шкалы 5А мах
Rш=Rприб*Iприб/(Iраб-Iприб)=2,52*0,02976/(3-0,02976)=0,02524 Ом для шкалы 3А мах
Если сравнить расчёты двух методик между собой, то получились совпадение данных до четвёртого знака после запятой, а в некоторых случаях даже до пяти знаков.
О тонкостях изготовления шунтирующего сопротивления расскажу в следующей статье.
1. Необходимо измерить ток потребителя в пределах 20 – 25 А. Имеется микроамперметр с пределом измерения 200мкА, внутренним сопротивлением 300 Ом и максимальным числом делений 100. Определить сопротивление шунта для расширения предела измерения до 30 А и определить относительную погрешность измерения на отметке 85 делений, если класс точности прибора 1,0.
Решение:
2. Предел измерения Iпр амперметра с внутренним сопротивлением RА должен быть расширен до значения 8 Iпр. Найти значение RШ.
Решение:
3. Предел измерения микроамперметра на 150 мкА должен быть расширен до 15 А. Определить сопротивление шунта, если внутреннее его сопротивление RА = 400 А.
Решение:
4. Амперметр с внутренним сопротивлением RА = 0,015 Ом и пределом измерения 20 А имеет шунт сопротивлением 0,005 Ом. Определить предел измерения амперметра с шунтом, а также ток в цепи, если его показание равно 12 А.
Решение:
5. Милливольтметр с пределом измерения 75 мВ и внутренним сопротивлением RВ = 25 Ом имеет 150 делений шкалы. Определить сопротивление шунта, чтобы прибором можно было измерять предельное значение тока 30 А. Определить цену деления прибора в обоих случаях.
Решение:
6. Микроамперметр с пределом измерения 1000 мкА и внутренним сопротивлением RА =300 Ом необходимо использовать в качестве вольтметра на предел 30 В. Определить добавочное сопротивление.
Решение:
7. Милливольтметр с пределом измерения 750 мВ необходимо переделать в многопредельный вольтметр с пределами 7,5; 15; 75; 150В. Добавочное сопротивление на пределе 7,5 В составляет 1350 Ом. Определить добавочное сопротивление на каждом из пределов, сопротивление и ток полного отклонения прибора.
Решение:
8. У вольтметра электродинамической системы с пределом измерения U = 300 В и внутренним сопротивлением Rв = 30 кОм необходимо расширить предел до 1500 В. Определить добавочное сопротивление вольтметра и максимальную потребляемую мощность на основном и расширенном пределах.
Решение:
9. Предел измерения вольтметра электромагнитной системы составляет 7,5 В при внутреннем сопротивлении Rв = 200 Ом. Определить добавочное сопротивление, которое необходимо включить для расширения предела измерения до 600 В.
Решение:
10. Амперметром с внутренним сопротивлением RA = 1 Ом следует измерить ток в 10, 100 и 1000 раз больше его номинального значения. Найти соотношение между сопротивлениями амперметра и шунтов, подобранных для выполнения указанных измерений.
Решение:
11. Амперметр, имеющий внутреннее сопротивление 0,2 Ом и предел измерения 10 А, необходимо использовать для измерения тока до 500 А. Определить сопротивление шунта прибора и падение напряжения на амперметре и шунте.
Решение:
12. Номинальный ток амперметра Iн = 1 А, сопротивление шунта Rш = 0,5 Ом Определить сопротивление амперметра, если номинальное значение тока в нем было при общем токе цепи 5 А.
Решение:
13. Номинальный ток амперметра 1 А, его внутреннее сопротивление 0,08 Ом. Какой ток проходит в электрической цепи, если амперметр с шунтом сопротивлением 0,03 Ом показывает ток 0,9 А?
Решение:
14. Необходимо измерить напряжение в пределах 30-40 В. Какой из вольтметров позволяет произвести измерение с большей точностью:
1 ) с верхним пределом 50 В и классом точности 2,5;
2) с верхним пределом 100 В и классом точности 1,5;
3) с верхним пределом 300 В и классом точности 0,5; 4) с верхним пределом 150 В и классом точности 1.
Решение:
15. Вольтметром с внутренним сопротивлением Rv требуется измерить напряжение в 10, 100 и 1000 раз больше его номинального значения. Найти соотношение между внутренним сопротивлением вольтметра и сопротивлениями добавочных резисторов, подобранных для выполнения указанных условий.
Решение:
16. Номинальное напряжение вольтметра 10 В, внутреннее его сопротивление 5 кОм. Какое допустимое напряжение может быть в измеряемой цепи, если к вольтметру подключен добавочный резистор, сопротивление которого 150 кОм?
Решение:
17. Вольтметр рассчитан для измерения напряжения до 15 В. Определить сопротивление добавочного резистора, который необходимо подключить к вольтметру с Rv = 50 кОм, чтобы с его помощью измерять напряжение 220 В. Каковы при этом потери мощности в обмотке вольтметра и добавочном резисторе?
Решение:
 |
| Рис. 3.1 |
18. Номинальное напряжение вольтметра 30 В, его внутреннее сопротивление 10 кОм. Каково напряжение в измеряемой цепи, если показание вольтметра 10 В соответствует сопротивлению добавочного резистора 50 кОм?
Решение:
19. Для измерения ЭДС генератора к его зажимам присоединен вольтметр (рис, 3.1), сопротивление которого Rv = 10000 Ом. Сопротивление якоря генератора Rа = 0,2 Ом. Определить, на сколько процентов делаем ошибку, считая показание вольтметра, равным ЭДС генератора.
Решение:
20. Амперметр, сопротивление которого RА = 0,3 Ом, имеет шкалу в 150 делений и постоянная прибора СА = 0,001 А/дел. Определить сопротивление шунта RШ, при помощи которого можно было измерять ток до 300 А.
Решение:
21. Амперметр, сопротивление которого RА = 0,3 Ом, имеет шкалу в 150 делений и постоянная прибора СА = 0,001 А/дел. Определить; какое сопротивление RД необходимо последовательно включить с амперметром, чтобы этим прибором можно было измерять напряжение до 150В.
Решение:
22. Какой ток можно измерять амперметром (сопротивление RА = 0,3 Ом, шкала имеет 150 делений и постоянная прибора СА =0,001 А/дел), если имеется шунт с сопротивлением 
Ом?
Решение:
23. Необходимо подобрать к амперметру с сопротивлением RА шунты, расширяющие пределы измерения в 10 и 100 раз. Каковы будут соотношения между сопротивлением амперметра и шунта?
Решение:
24. Вольтметр с ценой деления 1В/дел, шкала которого содержит 150 делений, имеет сопротивление RВ = 10 000 Ом. Какое добавочное сопротивление RД необходимо включить последовательно с вольтметром, чтобы им можно было измерять напряжение до 600 В?
Решение:
25. Через амперметр, включенный в цепь через трансформатор тока ТЛ-35К, рассчитанный на ток 600/5 А, проходит ток I2 = 4,25 А, Определить ток в первичной цепи.
Решение:
26. Амперметр, рассчитанный на 5А, со шкалой 0 — 500 делений включен в цепь через трансформатор тока 400/5 А. Какой ток проходит в первичной и вторичной обмотках трансформатора, если амперметр показывает 350 делений?
Решение:
27. Ваттметр, имеющий пределы измерения U = 150 В, I = 5 А и число делений шкалы 150, включены через измерительный трансформатор, напряжения 6000/100 В и трансформатор тока 500/5 А. Определить мощность первичной цепи, если показания ваттметра — 124 деления.
Решение:
28. Через трансформатор тока 500/5А и трансформатор напряжения 6000/100В в сеть переменного тока включены амперметр, вольтметр и ваттметр. Определить ток, напряжение, активную мощность и коэффициент мощности цепи, если амперметр показал I = 4 А, вольтметр — U = 100 В, а ваттметр — 350 Вт.
Решение:
29. Обмотки ваттметра, рассчитанные на номинальную мощность Рном = 500 Вт, присоединены к сети переменного тока через измерительный трансформатор напряжения НОМ-6 (3000/100 В) и трансформатор тока ТПЛ-10 (400/5 А). Определять мощность первичной цепи, если мощность в цепи ваттметра Р = 380 Вт.
Решение: 
30. К трансформатору напряжения НОМ-10 (номинальное напряжение первичной обмотки 10 000 В) подключили вольтметр, рассчитанный на 150 В. Определить напряжение на вольтметре, если напряжение в первичной цепи понизилось до 9950 В.
Решение: 
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Лучшие изречения: Для студента самое главное не сдать экзамен, а вовремя вспомнить про него. 9825 — 
| 7406 — 
или читать все.
91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.
Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно